数字（开/关）霍尔效应器件：开关和锁存器

在这篇技术文章中了解 B 场的极性、单极开关、全极开关、霍尔效应锁存器和双极开关。

霍尔效应开关和锁存器是磁场比较器。它们将磁通密度（有时称为 B 场）与一些预先指定的阈值进行比较，并将比较结果作为 1 位数字值输出。数字（开/关）霍尔传感器有四种不同类别：单极开关、双极开关、全极开关和锁存器。

我们将详细检查每种类型的传递函数。但是，在此之前，我想澄清一个将在我们的讨论中常用的重要概念：磁通密度的极性。

我们如何定义 B 场的极性？

霍尔效应器件是定向的。它仅感应沿其灵敏度轴的磁通密度分量。图1所示为两种常见霍尔器件封装的灵敏度轴。

图 1。 图片由德州仪器提供。

如果施加到设备的磁场在灵敏度轴的方向上产生一个分量，则假定 B 场为正。如果磁场在灵敏度轴的相反方向产生一个分量，则假定为负值。图 2 显示了一个示例，其中传感器位置 (A) 处的磁通密度为负极性。

图 2

在上面的例子中，我们假设设备灵敏度轴在 z 轴方向。由于磁铁的磁场线从北极到南极，因此设备感应到的 B 场为负。

还有一个关于霍尔传感器制造商常用的 B 场极性的约定。他们认为磁铁南极产生的磁场为正，北极产生的磁场为负。这是基于传感器的烙印面朝向磁铁的假设。品牌面是传感器的前表面，您可以在其中找到设备部件号等。 考虑到图 1 中所示的灵敏度轴，您可以验证将磁体的南极呈现到传感器的品牌面将产生灵敏度轴方向的磁场（正场）。同样，北极会产生负磁场。如果我们将磁极放在传感器包装的背面（不是包装的品牌面），上述约定将不再有效！

结束本次讨论的最后一点：许多霍尔器件是一维的，仅沿一个敏感轴感应 B 场（如图 1 所示）。但是，还有更复杂的传感器 IC，它们采用多个霍尔元件来支持三个灵敏度轴（三维传感器）。现在，让我们检查不同类型的数字（开/关）霍尔器件的传递函数。

单极开关

单极开关的功能如图 3 所示。

图 3

该器件称为单极开关，因为其开关阈值（BRP 和 BOP）位于 B 场轴的正区域。输出状态只能响应南极场而改变。北极或负磁场对传感器没有影响；解释名称“单极开关”。

让我们看看设备如何响应磁场的变化。假设向传感器施加北极场，我们逐渐增加施加的场（使其更正）。对于 B

激活的设备如何响应减小的场？对于减小的磁场，器件保持开启（逻辑低），直到施加的磁场小于 BRP。这由上图中的红色曲线表示。对于 B

因此，增大磁场的切换阈值与减小磁场的切换阈值不同。这种迟滞是有意设计为在输出端有一个干净的切换。霍尔效应传感系统中的机械振动以及电气和电磁噪声会将噪声引入感测磁场。阈值水平附近的 B 场噪声会导致霍尔传感器输出端出现不确定的、快速变化的波动（图 4）。通过使增加和减少字段的阈值略有不同来消除这些不需要的波动。

图 4。 如果没有滞后，输出可能会在阈值附近不确定。

正如我们在上面看到的，单极开关的操作可以用两个不同的参数来描述：BOP 和 BRP。 BOP 代表“磁性操作点”或简称为“操作点”。这表示增加磁场的阈值水平，高于该阈值水平传感器开启。 BRP 是“磁性释放点”或简称“释放点”。它表示降低磁场的阈值水平。对于 B

BHYS =BOP − BRP

我们将在下面讨论类似的符号可用于描述其他类型的数字霍尔器件的操作。

请注意，根据传感器电子设计，传感器输出的开和关状态可能与图 3 中描述的相反（设备关闭时为逻辑低，设备开启时为逻辑高）。

全极开关

全极开关的传递函数如图5所示。

图 5

全极开关以强正场或强负场打开。如图所示，当磁场的大小变得大于 BOP (|B|> BOP) 时，器件开启，输出变为逻辑低电平。当 B 场的幅度小于 BRP (|B|

霍尔效应锁存器

霍尔效应锁存器的传递函数如图6所示。

图 6

闩锁装置具有正 BOP 和负 BRP。它在足够大的正场 (B> BOP) 下打开，并在出现足够强的北极场 (B

虽然单极或全极开关可以随着外加场幅度的变化而改变状态，但锁存器可以感测 B 场的极性（前提是外加场具有足够的强度）。在旋转应用中，闩锁通常与环形磁铁一起使用，例如用于检测旋转轴的位置。如图 7 所示。

图 7。 图片由 Allegro 提供。

随着轴的旋转，感应磁场的极性发生变化，传感器相应地打开/关闭。对于闩锁装置，操作点和释放点的大小相等但极性相反（BOP ≠ -BRP）。

双极开关

对于双极开关，我们只知道“最大”操作点和“最小”释放点的值。然而，确切的阈值是未知的。因此，设备的确切操作可以在单元到单元的基础上改变。图 8 显示了一个示例，其中最大 BOP 约为 300 高斯，最小 BRP 约为 -300 高斯。

图 8。 图片由霍尼韦尔提供。

对于“设备 1”，BOP 和 BRP 均为负值。对于“设备 3”，两个阈值都是正的。另一个示例“设备 2”具有类似于锁存器的响应。它具有正 BOP 和负 BRP。尽管“设备 2”的传递函数类似于锁存器的传递函数，但应该注意的是，双极开关的操作点和释放点的大小可能不相等 (BOP - BRP)。

如您所见，即使是在同一批次中一起制造的相同类型的设备，也可以使用三种不同的传递函数。根据 Allegro 的“双极开关霍尔效应 IC 基础”应用说明，只有大约 10% 的双极开关具有类似于“设备 1”和“设备 3”的传递函数。其余的具有锁存型响应。与闩锁器件相比，双极开关可以提供更窄的滞后区 (BHYS =BOP − BRP)，因此具有更高的灵敏度。但是，由于双极开关的操作模式会因设备而异，因此我们需要确保系统对于所有可能的 BOP 和 BRP 值（在指定的范围限制内）都能正常运行。

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